Physiker haben einen Weg gefunden, die Anfänge schneller Radioausbrüche zu simulieren

Schnelle Funkstöße sind eines der größten kosmischen Geheimnisse unserer Zeit. Es handelt sich um extrem starke, aber extrem kurze Explosionen elektromagnetischer Strahlung im Radiowellenlängenbereich, die in Millisekunden so viel Energie wie 500 Millionen Sonnen freisetzen.

Jahrelang rätselten Wissenschaftler darüber, was diese kurzen Ausbrüche verursachen könnte, die in Galaxien entdeckt wurden, die Millionen bis Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Dann, im April 2020, Wir hatten einen wirklich starken Vorsprung : ein kurzer, starker Funkwellenblitz von etwas im Inneren der Milchstraße – einem Magnetar.

Dies deutet darauf hin, dass diese extrem magnetisierten toten Sterne zumindest einige schnelle Radiostöße erzeugen. Jetzt haben Physiker eine Möglichkeit entwickelt, in einem Labor zu reproduzieren, was unserer Meinung nach in den ersten Stadien dieser wahnsinnigen Explosionen passiert, basierend auf der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED).

„Unsere Laborsimulation ist ein kleines Analogon einer Magnetarumgebung“, sagt der Physiker Kenan Qu der Princeton University. „Damit können wir QED-Paarplasmen analysieren.“

Ein Magnetar ist eine Art toter Stern namens a Neutronenstern . Wenn ein massereicher Stern das Ende seiner Lebensdauer erreicht, bläst er seine äußere Materie und den Kern ab, der nicht mehr durch den äußeren Druck gestützt wird Kernfusion , kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft und bildet ein ultradichtes Objekt mit einem starken Magnetfeld. Das ist der Neutronenstern.

Einige Neutronensterne haben ein noch stärkeres Magnetfeld. Das ist ein Magnetar. Wir wissen nicht, wie sie dazu kommen, aber ihre Magnetfelder sind etwa 1.000-mal stärker als die eines normalen Neutronensterns, und a Billiardenfach stärker als die der Erde.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass schnelle Funkausbrüche ein Ergebnis der Spannung zwischen dem Magnetfeld, das so stark ist, dass es die Form des Magnetars verzerrt, und dem nach innen gerichteten Druck der Schwerkraft sind.

Es wird auch angenommen, dass das Magnetfeld dafür verantwortlich ist, die Materie im Raum um den Magnetar in ein Plasma umzuwandeln, das aus Materie besteht. Antimaterie Paare. Diese Paare bestehen aus einem negativ geladenen Elektron und einem positiv geladenen Positron, und das sind sie auch gedacht, eine Rolle zu spielen in der Emission der seltene schnelle Funkstöße Das wiederholen .

Dieses Plasma wird Paarplasma genannt und unterscheidet sich stark vom Großteil des Plasmas im Universum. Normales Plasma besteht aus Elektronen und schwereren Ionen. Die Materie-Antimaterie-Paare im Paarplasma haben gleiche Massen und bilden sich spontan und vernichten sich gegenseitig. Das kollektive Verhalten von Paarplasmen unterscheidet sich stark von dem normaler Plasmen.

Da die Stärke der beteiligten Magnetfelder so extrem ist, haben Qu und seine Kollegen eine Möglichkeit entwickelt, mit anderen Mitteln Paarplasmen in einem Labor zu erzeugen.

„Anstatt ein starkes Magnetfeld zu simulieren, verwenden wir einen starken Laser“, Was erklärt .

„Es wandelt Energie durch sogenannte QED-Kaskaden in Paarplasma um.“ Das Paarplasma verschiebt dann den Laserpuls auf eine höhere Frequenz. „Das aufregende Ergebnis zeigt die Aussichten für die Erzeugung und Beobachtung von QED-Paarplasma in Labors und ermöglicht Experimente zur Überprüfung von Theorien über schnelle Funkstöße.“

Bei dieser Technik wird ein Hochgeschwindigkeits-Elektronenstrahl erzeugt, der sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Auf diesen Strahl wird ein mäßig starker Laser abgefeuert, und durch die resultierende Kollision entsteht ein Paarplasma.

Darüber hinaus verlangsamt es das entstehende Plasma. Dies könnte eines der Probleme lösen, die bei früheren Experimenten zur Erzeugung von Paarplasmen aufgetreten sind – die Beobachtung ihres kollektiven Verhaltens.

„Wir glauben zu wissen, welche Gesetze ihr kollektives Verhalten bestimmen.“ „Aber bis wir im Labor tatsächlich ein Paarplasma produzieren, das kollektive Phänomene aufweist, die wir untersuchen können, können wir dessen nicht absolut sicher sein“, sagt der Physiker Nat Fisch der Princeton University.

„Das Problem besteht darin, dass kollektives Verhalten in Paarplasmen bekanntermaßen schwer zu beobachten ist.“ Daher bestand für uns ein wichtiger Schritt darin, dies als ein gemeinsames Produktions- und Beobachtungsproblem zu betrachten und zu erkennen, dass eine gute Beobachtungsmethode die Bedingungen für das, was produziert werden muss, lockert und uns wiederum zu einer praktikableren Benutzereinrichtung führt.

Das Beobachtungsexperiment muss noch durchgeführt werden, bietet aber eine Möglichkeit, diese Untersuchungen durchzuführen, die bisher nicht möglich war. Es reduziert den Bedarf an extrem leistungsstarker Ausrüstung, die möglicherweise unsere technischen Möglichkeiten und Budgets übersteigt.

Das Team bereitet sich derzeit darauf vor, seine Ideen mit einer Reihe von Experimenten im SLAC National Accelerator Laboratory zu testen. Sie hoffen, dass dies ihnen dabei helfen wird, herauszufinden, wie Magnetare Paarplasmen erzeugen, wie diese Paarplasmen schnelle Radiostöße erzeugen könnten, und zu identifizieren, welche bisher unbekannte Physik dabei beteiligt sein könnte.

„In gewisser Weise ist das, was wir hier tun, der Ausgangspunkt der Kaskade, die Funkstöße erzeugt.“ sagt der Physiker Sebastian Meuren der Stanford University und SLAC.

„Wenn wir so etwas wie einen Radioausbruch im Labor beobachten könnten, wäre das äußerst aufregend.“ Aber der erste Teil besteht nur darin, die Streuung der Elektronenstrahlen zu beobachten, und wenn wir das geschafft haben, werden wir die Laserintensität verbessern, um höhere Dichten zu erreichen, um die Elektron-Positron-Paare tatsächlich zu sehen. „Die Idee ist, dass sich unser Experiment in den nächsten zwei Jahren weiterentwickeln wird.“

Es könnte also etwas länger dauern, bis wir unsere Antworten auf schnelle Funkstöße erhalten. Aber wenn wir im Laufe der Jahre etwas gelernt haben, dann ist es, dass es sich auf jeden Fall lohnt, dieses faszinierende Geheimnis zu lüften.

Das Papier des Teams wurde in veröffentlicht Physik der Plasmen .